14.1. Триггеры
Эксперименты
Цель
1. Изучение структуры и
алгоритмов работы асинхронных и синхронных триггеров.
2. Исследование функций
переходов и возбуждения основных типов триггеров.
3. Изучение взаимозаменяемости
триггеров различных типов. 
Краткие сведения из теории
Триггер - простейшая цифровая
схема последовательностного типа. У рассмотренных в предыдущих разделах комбинационных
схем состояние выхода Y в любой момент времени определяется только текущим состоянием
входа X: Y = Г(Х). В отличие от них, состояние выхода последовательностной схемы
(цифрового автомата) зависит еще и от внутреннего состояния схемы Q: Y=F(X,Q).
Другими словами, цифровой автомат является не только преобразователем, но и
хранителем предшествующей и источником текущей информации (состояния). Это свойство
обеспечивается наличием в схемах обратных связей. Основой последовательностных
схем являются триггеры. Триггер имеет два устойчивых состояния: Q=1 и Q=O, поэтому
его иногда называют бистабильной схемой. В каком из этих состояний окажется
триггер, зависит от сигналов на входах триггера и от его предыдущего состояния,
т. е. он имеет память. Можно сказать, что триггер является элементарной ячейкой
памяти. Тип триггера определяется алгоритмом его работы. В зависимости от алгоритма
работы, триггер может иметь установочные, информационные и управляющие входы.
Установочные входы устанавливают состояние триггера независимо от состояния
других входов. Входы управления разрешают запись данных, подающихся на информационные
входы. Наиболее распространенными являются триггеры RS, JK, D и Т-типов.
1. Триггер типа RS RS-триггер
- простейший автомат с памятью, который может находиться в двух состо-яниях.
Триггер имеет два установочных входа: установки S (set - установка) и сброса
R (reset - сброс), на которые подаются входные сигналы от внешних источников.
При подаче на вход установки активного логического уровня триггер устанавливается
в 1 (Q = 1, 
, при подаче активного
уровня на вход сброса триггер устанавливается в О (Q = О, 
). Если
подать на оба входа установки (возбуждения) пассивный уровень, то триггер будет
сохранять предыдущее состояние выходов: Q=0 
Каждое состояние устойчиво
и поддерживается за счет действия обратных связей. Для триггеров этого типа
является недопустимой одновременная подача активного уровня на оба входа установки,
т. к. триггер по определению не может одновременно быть установлен в ноль и
единицу. На практике подача активного уровня на установочные входы приводит
к тому, что это состояние не может быть сохранено и невозможно определить, в
каком состоянии будет находиться триггер при последующей подаче на установочные
входы сигналов пассивного уровня. На рис. 14.1 и 14.2 показаны два вида RS-триггеров,
выполненных на элементах ИЛИ-НЕ и И-НЕ. Для схемы на рис. 14.1 активным уровнем
является уровень логической единицы, для схемы на рис. 14.2 - уровень логического
нуля. Схема на рис. 14.2 получила название RS-триггера с инверсными входами
- RS-триггер. RS-триггер является основным узлом для построения последовательностных
схем. Название схем такого типа «последовательностные» означает, что состояние
выхода зависит от того, в какой последовательности на входы подаются входные
наборы и каково было предшествующее внутреннее состояние. Так, если в RS-тригге-ре
(рис. 14.1) вначале установить комбинацию R=0, S=1 (сокращенная запись - 01),
а потом перейти к R=0, S=0 (00), то состояние выхода Q= I. Если же вначале установить
комбинацию 10, а потом перейти к 00, то состояние выхода будет другим - Q=0,
несмотря на одинаковые комбинации сигналов на входах. Таким образом, при одном
и том же входном наборе 00 выход триггера может находиться в разных состояниях.
Условия переходов триггеров из одного состояния в другое (алгоритм работы) можно
описать табличным, аналитическим или графическим способами. Табличное описание
работы RS-триггера (рис. 14.1) представлено в таблице 14.1 (таблица переходов)
и таблице 14.2 (таблица функций возбуждения).
Таблица 14.1
|
R |
S |
Qt+1 |
|
0 |
о |
Qt |
|
0 |
1 |
1 |
|
1 |
о |
о |
|
1 |
1 |
- |
Таблица 14.2
|
Qt |
Qt+1 |
R |
S |
|
о |
о |
X |
о |
|
о |
1 |
0 |
1 |
|
1 |
о |
1 |
о |
|
1 |
1 |
0 |
X |
В таблицах использованы
следующие обозначения: Qt - предшествующее состояние выхода; Qt+1 - новое состояние,
устанавливающееся после перехода (возможно Qt+1= Qt); х - безразличное значение
сигнала: 0 или 1; — - неопределенное состояние. Аналитическое описание (характеристическое
уравнение) можно получить из таблиц 14.1, 14.2 по правилам алгебры логики:
Зависимость Qt+1 от Qt
характеризует свойство запоминания предшествующего состояния. Описание работы
RS-триггера можно дополнить графом рис. 14.3 (графический способ). 
График на рис. 14.3а показывает,
что схема, которая находилась в состоянии Q=0, сохраняет это состояние как при
воздействии входного набора R=0, S=0, так и при воздействии R=1, S=0. Если же
на вход схемы, находящейся в состоянии 0=0, подействовать набором R=0, S=1,
то она переходит в состояние Q=1 и сохраняет его при входных наборах Н=0, S=1,
либо R=0, S=0. На рис. 14.36 тот же граф триггера нарисован более компактно.
Входные сигналы, которые могут принимать любые значения (как 0, так и 1), обозначены
как X, а позиция обозначения соответствует последовательности R, S. 2. JK-триггер
Триггер JK-типа имеет более сложную, по сравнению с RS-триггером, структуру
и более широкие функциональные возможности. Помимо информационных входов J и
К и прямого и инверсного выходов Q и Q, JK-триггер имеет вход управления С (этот
вход также называют тактирующим или счетным), а также асинхронные установочные
R и S-вхо-ды. Обычно активными уровнями установочных сигналов являются нули,
как в схеме на рис. 14.2. Установочные входы имеют приоритет над остальными.
Активный уровень сигнала на входе S устанавливает триггер в состояние 0=1, а
активный уровень сигнала на входе R - в состояние 0=0, независимо от сигналов
на остальных входах. Если на входы установки одновременно подать пассивный уровень
сигнала, то состояние триггера будет изменяться по фронту импульса на счетном
входе в зависимости от состояния входов J и К, как показано в таблицах переходов
(табл. 14.3) и функций возбуждения (табл. 14.4).
Таблица 14.3
|
|
|
' |
|
S |
к |
Qt+1 |
|
о |
о |
Q. |
|
о |
1 |
о |
|
1 |
о |
1 |
|
1 |
1 |
Qt |
Таблица 14.4
|
Qt |
Qt+1 |
J |
к |
|
о |
о |
X |
о |
|
о |
1 |
0 |
1 |
|
1 |
о |
1 |
о |
|
1 |
1 |
о |
x |
Работа JK-триггера описывается
характеристическим уравнением: 
Один из вариантов функциональной
схемы JK-триггера со входами установки логическим нулем и его условное графическое
обозначение (УГО) приведены на рис. 14.4а,б. Временные диаграммы его работы
при R=S=1 приведены на рис. 14.5. 
Подобно RS-триггеру, изменение
состоянии JK-триггера можно изобразить графом переходов (рис, 14.6). Входные
сигналы, которые могут принимать любые значения (как О, так и 1), обозначены
как X, а позиция обозначения соответствует последовательности J, К. Этот рисунок
не должен вводить в заблуждение: если Х=1,то при JK=11 схема будет переходить
из состояния Q=0 в состояние Q=1. Но из этого состояния схема должна возвратиться
в Q=0 и т. д. Этот граф ' описывает работу автогенератора. В данном случае все
изменения выхода происходят только в момент отрицательного перепада тактового
сигнала С. Действительно, если J=K=1, то с каждым новым тактовым импульсом выход
будет изменять свое значение на противоположное и триггер будет выполнять функцию
делителя частоты на 2, а не автогенератора. 3. D-триггер. D-триггер имеет один
информационный вход D (data - данные). Информация со входа D заносится в триггер
по положительному перепаду импульса на счетном входе С и сохраняется до следующего
положительного перепада на счетном входе триггера. Помимо счет-
ного С и информационного
D входов, триггер снабжен асинхронными установочными R и S входами. Установочные
входы приоритетны. Они устанавливают триггер независимо от сигналов на входах
С и D. функционирование D-триггера описывается таблицей переходов (табл. 14.6),
таблицей функций возбуждения (табл. 14.6) и диаграммами входных и выходных сигналов
(рис. 14.7).
Таблица 14.5
Таблица 14.6
|
Qt |
Qt+1 |
D |
|
о |
о |
0 |
|
о |
1 |
1 |
|
1 |
о |
о |
|
1 |
1 |
1 |
Характеристическое уравнение
D-триггера: Q.„=D, Уравнение показывает, что состояние триггера на (t+1)-такте
равно входному сигналу в момент, предшествующий тактовому перепаду сигнала С.
Условное обозначение D-триггера представлено на рис. 14.8. 
Функциональная схема D-триггера
может быть получена из схемы JK-триггера (puc.l4.5d) путем подключения входа
К ко входу J через инвертор: D=J=K. 4. Т-триггер (счетный триггер) На основе
JK-триггеров и D-триггеров можно построить схемы, осуществляющие так называемый
счетный режим. Такие схемы называют Т-триггерами или счетными триггерами, связывая
с этим метод их функционирования. На рис. 14.9 представлены схемы 
организации Т-триггера
на основе JK и D-триггеров. Счетный режим иллюстрируется временными диаграммами
рис. 14.10. В JK-триггере со входами установки логическим нулем счетный режим
реализуется путем подачи констант J=K=1 и R=S=1 и входного сигнала Т на вход
С. В соответствии с таблицей функционирования (табл. 14.3 и 14.4) при каждом
отрицательном перепаде входного сигнала Т состояние триггера изменяет свое значение
на противоположное. В D-триггере счетный режим реализуется при помощи обратной
связи (на вход D подается сигнал с инверсного выхода). Таким образом, всегда
существует неравенство сигнала на входе D и сигнала на выходе Q: еслиQ=1, D=0.
Следовательно, при каждом положительном перепаде сигнала на счетном входе С,
в соответствии с принципом действия D-тригге-ра состояние выхода будет изменяться
на противоположное. Таким образом, на каждые два входных тактовых импульса Т-триггер
формирует один период выходного сигнала Q. Следовательно, триггер осуществляет
деление частоты fт на его входе на 2:
где fQ — частота следования
импульсов на выходе триггера.
.
Порядок проведения экспериментов
Эксперимент 1. Исследование RS-триггера.
а). Откройте файл с14_01
со схемой, изображенной на рис. 14.11. Включите схему. Последовательно подайте
на схему следующие сигналы: S=0, R=1; S=0, R=0; 8=1, R=0; S=0, R=0. Убедитесь
в том, что: • при S=0, R=1 триггер устанавливается в состояние Q=0; • при переходе
к 8=0, R=0 триггер сохраняет прежнее состояние выхода Q=0; • при S=1, R=0 триггер
устанавливается в состояние 0=1; • при переходе к 8=0, R=0 триггер сохраняет
прежнее состояние выхода Q=1. б.) Для каждого перехода (изменения состояния
или сохранения предыдущего) нарисуйте в разделе "Результаты экспериментов"
граф перехода по типу рис. 14.3. в). По результатам эксперимента заполните таблицу
функций возбуждения для схемы рис. 14.11, приведенную в разделе "Результаты
экспериментов" (табл. 14.7). 
Эксперимент 2. Исследование
RS-триггера.
а). Откройте файл с14_02
со схемой, изображенной на рис. 14.12. Включите схему. Последовательно подайте
на схему следующие сигналы: S=1, R=0; S=0, R=0; 8=0, R=1; 8=0, R=0. Убедитесь
в том, что: • при 8=1, R=0 триггер устанавливается в состояние, при котором
выход Q=0; • при переходе к 8=R=1 триггер сохраняет прежнее значение выхода
Q=0; » при 8=0, R=1, триггер устанавливается в состояние, при котором Q=1; •
при переходе к 8=1, R=1 прежнее значение выхода 0=1 сохраняется. б.) Для каждого
перехода (изменения состояния или сохранения предыдущего) нарисуйте в разделе
"Результаты экспериментов" граф перехода по типу рис. 14.3. е). По
результатам эксперимента заполните таблицу функций возбуждения для схемы рис.
14.12, приведенную в разделе "Результаты экспериментов" (табл. 14.8). 
Эксперимент 3. Исследование
JK-триггера. а). Откройте файл с14_03 со схемой, изображенной на рис. 14.13.
Включите схему. Убедитесь в том, что: • при R=1, 8=0 триггер устанавливается
в 1 (Q=1, Q'=0) независимо от состояния остальных входов; • при R=0, 8=1 триггер
устанавливается в О (Q=0, Q'=1) независимо от состояния остальных входов.
б.) Установите S'=R'1,
проверьте истинность таблицы функций возбуждения (табл. 14.4), по результатам
эксперимента заполните таблицу 14.9 в разделе "Результаты экспериментов".
Указание: начальное
состояние триггера устанавливать кратковременной подачей сигнала S'= 0 для получения
Qt = 1 и сигнала R' = О для получения Qt = 0. Переход триггера в состояние Qt+1
происходит только по отрицательному фронту импульса на счетном входе С, сформированном
соответствующим ключом.
в.) Составьте временные
диаграммы работы триггера для всех возможных комбинаций Qt, Jt, Кt и зарисуйте
их в раздел "Результаты экспериментов".
Эксперимент 4. Исследование
JK-триггера в счетном режиме (Т-триггер). Соберите схему, изображенную на рис.
14.14. Включите схему. Изменяя состояние входа С соответствующим ключом, зарисуйте
в разделе "Результаты экспериментов" диаграммы работы триггера в счетном
режиме. 
Эксперимент 5. Исследование
JK-триггера, построенного на базе логических элементов и RS-триггеров. Откройте
файл с14_04 со схемой, изображенной на рис. 14.15. Включите схему. Изменяя уровень
сигнала на входе С, составьте временные диаграммы сигналов на выходах Q1 и Q2
обоих RS-триггеров и зарисуйте их в разделе "Результаты экспериментов".
Укажите режим работы триггера. Определите моменты изменения сигналов Q1 и Q2
по отношению к моментам изменения сигнала С. Отразите различие во временах переключения
RS-триггеров на диаграммах. 
Эксперимент 6. Исследование
D-триггера. а). Откройте файл с14_05 со схемой, изображенной на рис. 14.16.
Включите схему. Убедитесь в том, что: • при R=1, 8=0 триггер устанавливается
в 1 (Q=1, Q*=0) независимо от состояния остальных входов; • при R=0, S=1 триггер
устанавливается в О (Q=0, Q*=1) независимо от состояния остальных входов. б).
Установите S' = R' = 1, проверьте истинность таблицы функций возбуждения (табл.
14.6), по результатам эксперимента заполните таблицу 14.10 в разделе "Результаты
экспериментов". в). Составьте временные диаграммы работы триггера для всех
возможных комбинаций Qt, Dt и зарисуйте их в раздел "Результаты экспериментов". 
Эксперимент 7. Исследование
работы D-триггера в счетном режиме. Соберите схему, изображенную на рис. 14.17.
Подавая на счетный вход С тактовые импульсы с помощью ключа [С] и определяя
состояние выходов триггера при помощи пробников, составьте временные диаграммы
работы триггера в счетном режиме и занесите их в раздел "Результаты экспериментов". 
Результаты экспериментов
Эксперимент 1. Исследование RS-триггера. б). Графы переходов. 
в). Таблица функций возбуждения.
Таблица 14.7
|
Q. |
Qt+1 |
R |
S |
|
о |
|
0 |
о |
|
о |
|
1 |
о |
|
о |
|
о |
1 |
|
1 |
|
1 |
о |
|
1 |
|
о |
о |
|
1 |
|
о |
1 |
Эксперимент 2. Исследование
RS-триггера. б). Графы переходов. 
в). Таблица функций возбуждения.
Таблица 14.8
|
Q. |
Qt+1 |
R |
S |
|
о |
|
0 |
о |
|
о |
|
1 |
о |
|
о |
|
о |
1 |
|
1 |
|
1 |
о |
|
1 |
|
о |
о |
|
1 |
|
о |
1 |
Эксперимент 3. Исследование
JK.-триггера. б). Таблица функций возбуждения. Таблица 14.9
|
Qt |
Qt+1 |
J |
к |
|
о |
|
о |
о |
|
о |
|
о |
1 |
|
о |
|
1 |
о |
|
о |
|
1 |
1 |
|
1 |
|
о |
о |
|
1 |
|
о |
1 |
|
1 |
|
1 |
о |
|
1 |
|
1 |
1 |
в). Диаграмма работы триггера. 
Эксперимент 4. Исследование
JK-триггера в счетном режиме (Т-триггер). Диаграмма работы триггера. 
Эксперимент 5. Исследование
JK-триггера, построенного на базе логических элементов и RS-триггеров. Диаграмма
работы триггера. 
Эксперимент 6. Исследование
D-тригтера. б). Таблица функций возбуждения, Таблица 14.10.
|
Q. |
Q.+I |
J |
к |
|
о |
|
0 |
о |
|
о |
|
о |
1 |
|
о |
|
1 |
о |
|
о |
|
1 |
1 |
|
1 |
|
о |
о |
|
1 |
|
о |
1 |
|
1 |
|
1 |
о |
|
1 |
|
1 |
1 |
в). Диаграмма работы триггера. 
Эксперимент 7. Исследование
работы D-триггера в счетном режиме. Диаграмма работы триггера. 
Вопросы
1. Является ли элементом
памяти выключатель настольной лампы?
2. Если продолжить предыдущий
вопрос, то как можно охарактеризовать: а) кнопочный выключатель (один раз нажал
— лампа горит; второй раз нажал — лампа погасла); б) клавишный переключатель-коромысло:
нажал на одно плечо — лампа зажглась или продолжает оставаться горящей; нажал
на другое плечо — погасла. Аналогия с какими видами триггеров напрашивается?
3. Чем отличается работа
RS-триггера с прямыми входами от работы RS-триггера с инверсными входами?
4. Почему комбинация сигналов
11 на входах RS-триггера называется «запрещенной»?
5. В чём отличие таблицы
переходов триггера от таблицы функций возбуждения?
6. Как свойство запоминания
отражается в характеристических уравнениях триггеров?
7. В чём принципиальное
отличие работы синхронных триггеров от асинхронных?
8. Какова приоритетность
информационных и установочных входов в синхронных триггерах?
9. Почему JK-триггер при
J=K=1 не превращается в автогенератор?
10.Почему Т-триггер получил
название счетного? Какое число импульсов он может сосчитать?
11.Как работает D-триггер,
если D=Q?
|
